在隔离式电源中，当需要严格的输出电压调节和快速的瞬态响应时，次级侧调节是常用的方案。采用这种技术，输出电压反馈信号需要跨越隔离屏障进行传输，即从次级的输出级传送到初级的控制器，而光耦通常被用于此任务。

然而，光耦在系统中的作用不仅限于此，因为它同时也是补偿器电路的一部分。其参数，如电流传输比(CTR)和输出寄生电容，将改变反馈信号的幅度和相位。因此，它们会出现在补偿器的传递函数中，有助于塑造其频率响应，进而影响转换器控制环路的稳定性裕量。

如果这些参数是恒定的，那么设计和最坏情况分析会简单得多，但事实并非如此。光耦的CTR具有较大的生产容差，此外还必须考虑其在直流偏置、温度和器件寿命期间的变化。

除此之外，光耦寄生电容也取决于这些相同参数以及器件本身的CTR。因此，为了进行可靠且在功能上鲁棒的设计，需要考虑所有预期的工作条件，评估此类参数变化对转换器稳定性裕量的影响。为此，可以采用一种实用的实验方法，如本文所述。

补偿器电路中的光耦

图1展示了一个典型的使用电压基准(TL431)作为误差放大器的、基于光耦的2型补偿器电路。该电路接收转换器输出电压(Vout)作为输入，并在其输出端(VCO)提供一个电压电平，该电平被馈送到电流模式PWM发生器模块(图中未显示)。

图1

注意VCO对应光耦光电晶体管的集电极-发射极电压。这种补偿器电路广泛用于稳定工作在连续导通模式(CCM)下的电流模式反激转换器的反馈环路。

该补偿器电路在拉普拉斯s域中的传递函数如下(参考文献[4])：

注意CTR如何影响中频带增益(Gm)项，而光电晶体管寄生电容(Copto)则影响极点频率(ωP)。

选择来自'B'档的WL-OCPT 817光耦意味着，在生产公差范围内，其在参考测试直流偏置条件(VCE = 5 V， ILED = 5 mA)下测得的CTR将在1.3到2.6之间(参考文献[3])。但是，在闭环工作的转换器中，补偿器输出电压以及随之而来的光耦直流偏置点是由输入电压和输出电流等工作条件设定的。因此，需要获得代表最坏情况工作条件下的直流偏置点所对应的新CTR范围。

本文示例设计采用的反激转换器基本规格如下：Vin = 36 至 57 V， Vout = 12 V， Iout = 3 A， Fsw = 300 kHz。使用的变压器是Würth Elektronik的WEPOEH 7491195112，控制器芯片是Onsemi的NCP12700。等效输出电容为100 µF，ESR仅为几百µΩ(将ESR零点推至MHz范围，对受控对象响应无影响(参考文献[4]))。

补偿器是针对控制-输出传递函数的最坏情况条件(对应最小输入电压36 V和满载电流3 A，即右半平面零点频率最低处)而设计的。在此工作点，补偿器(及光耦)输出电压VCO = 2.7 V(参考文献[4])。由于NCP12700设定了Vdd = 5 V和RC = 5 kΩ，从而得出光电晶体管电流IC = 0.46 mA。

测量光耦CTR和寄生电容(Copto)

在此直流偏置条件(VCO = 2.7 V， IC = 0.46 mA)下的CTR可以通过多种方式获得。一种是使用WL-OCPT 817系列数据手册中提供的CTR与ILED关系曲线(参考文献[3])，另一种方法是使用免费提供的WL-OCPT SPICE模型进行仿真。

图2

然而，最准确的方法莫过于直接测量。为此，应使用一个来自'B'档、在参考测试直流偏置条件下CTR接近该档范围中值的光耦样品(即理想情况下，在VCE = 5 V， ILED = 5 mA时CTRAV = 1.95)。

本文使用的参考器件直流CTR为2.08，接近分档中值，其在VCE = 2.7 V时的LED和光电晶体管电流如图2所示(通过测量5 kΩ电阻两端的电压获得：ILED(蓝色)和IC(紫色))。

直流电流为IC = 0.46 mA(即2.29 V / 5 kΩ)和ILED = 0.512 mA(即2.56 V / 5 kΩ)。直流电压的比值对应于直流CTR，本例中等于0.9(即2.29 V/2.56 V)。

注意，一个小的低频交流正弦电流也叠加在LED的直流电流上。这里，测量幅度的比值对应于小信号或交流CTR，在此工作点为1.3(即378 mV/285 mV)。

对于补偿器电路中光耦和TL431的直流偏置，使用直流CTR进行相关元件计算;而对于涉及小幅度交流信号的控制环路稳定性和补偿器电路动态行为，则应使用小信号交流CTR。请注意，有些情况下直流和交流CTR值足够接近，此时直流CTR可作为近似值使用(例如参考文献[4])。但情况并非总是如此。

已知直流和交流CTR值后，在进行补偿器设计前需要测量Copto。所使用的'B'档参考样品，偏置于VCE = 2.7 V和IC = 0.46 mA，采用与补偿器电路相同的RC = 5 kΩ，其测得的频率响应如图3所示。

拐点频率约为18 kHz，据此可计算标称Copto值：

注意，在低于1 kHz的低频范围内，幅值曲线基本"平坦"，保持在2.325 dB，这对应于交流CTR值1.3。

补偿器设计与稳定性分析

补偿器设计目标为实现2 kHz的开环穿越频率和60º的相位裕量。在2 kHz处，受控对象传递函数的幅值为1.32 dB，相位为-71º(图4)。因此，补偿器响应在2 kHz处需要具有-1.32 dB的幅值和131º的相位。为此，选择以下补偿器元件值：R2 = 5.6 kΩ， C1 = 33 nF， CCOL = 4.7 nF。该计算以及图1补偿器电路其余元件取值的过程超出了本文范围，但参考文献[4]中有详细说明。

图3

图4

如前所述，'B'档的CTR生产容差约为±30%。考虑到本设计直流偏置条件下的标称直流CTR值为0.9，这导致CTR范围在0.6到1.2之间。为了实验评估此生产容差对转换器稳定性裕量的影响，可以使用来自'A'档(直流CTR为0.61)和来自'C'档(直流CTR为1.22)的WL-OCPT 817器件(均在本设计的VCE = 2.7 V、RC = 5 kΩ条件下测得)，因为它们略高于和略低于预估的'B'档CTR极限。

测得'A'档和'C'档样品的交流CTR值分别为0.84和1.83。

请注意，CTR和Copto直接相关：在相同直流偏置条件下，CTR较高的器件其Copto也较高，反之亦然。同样测量了'A'档和'C'档器件的频率响应，分别获得拐点频率24.4 kHz和12.5 kHz。

这反过来对应于'A'档器件的Copto值为1.3 nF，'C'档器件为2.6 nF。与设计中使用的'B'档样品的标称情况相比，这种电容变化将分别使补偿器极点向更低和更高的频率移动。注意，'A'档样品代表了'B'档预期的CTR和Copto最小值，而'C'档样品则代表了最大值。

图5显示了这三个样品('A'档(红色)、'B'档(蓝色)和'C'档(黑色))补偿器传递函数的实测波特图。可以清楚地观察到中频带增益的变化(参见2 kHz附近)，而由于X轴覆盖的频段较宽，极点频率的变化不那么明显。

图5

最后，图6显示了开环频率响应，可以观察到穿越频率在1.1 kHz到2.2 kHz之间变化。在此示例中，尽管光耦参数变化相当大，但决定稳定性的相位裕量仍保持在68º到79º之间的较高水平。

图6

除此之外，还必须研究预期范围内工作温度变化的影响。在这里，恒温箱将有助于使用前述样品对此进行实验评估。另一个需要考虑的因素是光耦LED随工作时间的退化，参考文献[2]为此提供了指导。然而，如本设计所示，当在低LED电流和不太高的环境温度下工作时，LED退化的影响可以忽略不计。供参考，用于测量的DC-DC转换器原型如图7所示。

图7

结论

评估光耦参数变化对电源反馈环路稳定性裕量的影响，是确保转换器在整个工作寿命期内可靠运行的关键。本文展示了一种基于实际测量(而非仿真或计算)来实现这一目标的方法示例。

这在一定程度上得益于Würth Elektronik为其WL-OCPT光耦提供的严格的CTR分档分类。